A. Ahlström Osakeyhtiö in Noormarkku (Finnland)
Verfahren zur Behandlung von Materialien in einem Wirbelschichtreaktor
.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Materialien in einem Wirbelschichtreaktor,
insbesondere von verschiedenen Schlämmen, Ablaugen aus Zellstoff kochprozessen und anderen verbrennbaren Materialien.
Es ist vorbekannt, daß ein Wirbelschichtreaktor für die Verbrennung von verschiedenen Materialien verwendet
werden kann. Das Material wird hierbei in das Bett des Reaktors eingespeist, in dem es in Berührung mit heißem fluidisiertem
Material kommt. Als Beispiel einer derartigen Anwendung wird auf die amerikanische Patentschrift 3 319 586 hingewiesen,
die die Verbrennung von organische Komponenten enthaltenden Abfallschlämmen darstellt. Da der Wassergehalt
der betreffenden Schlämme noch nach einer mechanischen Entwässerungsbehandlung relativ hoch ist, bereitet die Schlammverbrennung
in einem Wirbelschichtreaktor gewisse Probleme.
Durch eine mechanische Behandlung kann beispielsweise aus Kommunalschlamm so viel Wasser entfernt werden, daß sein
Trockengehalt etwa 2o % beträgt. Wenn dem Schlamm geeignete Chemikalien zugesetzt werden, wie beispielsweise Kalk und
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Ferrichlorid, kann ein Trockengehalt von etwa 45% erreicht
werden, wobei die Verbrennung in dem Wirbelschichtreaktor autogen erfolgt. Wenn der Trockengehalt niedriger ist, muß
in den Ofen Zusatzbrennstoff zur Aufrechterhaltung der Verbrennung eingeleitet werden. Aus vielen Industrieabfallschlämmen
kann mechanisch nur so viel Wasser entfernt werden, daß ihr Trockengehalt niedriger als 2o % ist. Die Verbrennung
dieser Schlämme verursacht hohe Betriebskosten, die immer größer werden, wenn der Wassergehalt des Schlammes steigt.
Um eine verbesserte Wärmeökonomie des Verbrennungsprozesses zu erreichen, kann die Rauchgaswärme zur unter
direkter oder indirekter Wärmeübertragung auf den Schlamm bei der Schlammverbrennung nutzbar gemacht werden. Bei
dem direkten Verfahren werden die Rauchgase in direkte Berührung mit dem Schlamm gebracht und infolgedessen enthalten
die Abgase übelriechende Gase. Weil die Gasmengen groß sind,
verursacht die Nachverbrennung der riechenden Komponenten erhebliche Zusatzkosten. Das indirekte Verfahren erfordert
große Wärmeübertragungsflächen, weshalb die Anlagekosten hoch werden.
Als Beispiel eines Verfahrens,bei dem Schlamm vorgetrocknet
wird, indem er in Berührung mit Rauchgasen gebracht wird, dient das in der kanadischen Patentschrift 524 796 beschriebene
Verfahren. Früher wurden die Chemikalien der Ablaugen aus Sulfatzellstoffprozessen häufig dadurch wiedergewonnen,
daß die konzentrierte Ablauge in einem Wiedergewinnungskessel verbrannt wurde, wobei Natrium und Schwefel,
die in den Kochchemikalien enthalten sind, aus der Schmelze in Form von Natriumkarbonat und Natriumsulfid wiedergewonnen
wurden. Indem die Schmelzelösung kaustiziert wird, wird das Natriumkarbonat zu Natriumhydroxyd umgesetzt. Die Verbrennung
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der Ablaugen geschieht in drei Phasen: Trocknung, reduzierende Verbrennung und oxidierende Verbrennung. Aufgrund
dessen wird die Steuerung verschiedener Phasen des Verbrennungsprozesses so, daß das erwünschte Endresultat erreicht
wird, schwierig. Für kleine Zellulosefabriken wird wird die Lösung zu teuer. Der Dampfkessel ist auch nicht
völlig betriebssicher, wofür als Beweis viele schadensreiche Kesselexplosionen angeführt werden können.
Die Chemikalien der Ablauge aus den Sulfitzellstoffprozessen
können beispielsweise auf die in dem finnischen Patent 45 880 beschriebene Weise so wiedergewonnen werden,
daß Karbonat und Schwefelsulfid in der Natriumkarbonatlauge, die aus der Schmelze eines Sodakessels stammt, voneinander
abgeschieden werden und die das Sulfid enthaltende Lösung mit der Bisulfitlösung reagieren gelassen wird, wobei der
entstandene Schwefelwasserstoff zu Schwefeldioxyd verbrannt wird. Das bei der Verbrennung entstandene Schwefeldioxyd
wird mit der Wasserlösung des Karbonats in einem Absorptionssturm reagieren gelassen, wobei für die Kochlösung erforderliches
Bisulf it entsteht.
Die Pyrolyse ist auch für die Wiedergewinnung von Kochchemikalien, die die Ablaugen enthalten, beispielsweise
in einem sogenannten SCA-Billerud-Prozess, angewandt worden, bei dem die Natriumsalze der Natriumsulfitablauge zu Natriumkarbonat
und die Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff umgesetzt werden. Der Schwefelwasserstoff wird zu Schwefeldioxyd
verbrannt und dieses in einer Natriumkarbonatlösung absorbiert. Dieses Verfahren ist u. a. in dem finnischen
Patent 45 518 beschrieben worden.
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Es ist auch vorgeschlagen worden, Ablaugen in rotierenden öfen zu behandeln. In der amerikanischen Patentschrift
3 787 283 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von Chemikalien beschrieben, bei dem eine konzentrierte Ablauge auf
Natriumbasis mit reaktivem Aluminiumhydrat und Natriumaluminatasche gemischt und pelletisiert wird. Die Pellets
werden in einen rotierenden Ofen eingespeist, in dem eine Temperatur aufrechterhalten wird, die niedriger als der
Schmelzpunkt des Natriumaluminats ist. Ein Teil des in dem Reaktor entstandenen Natriumaluminats wird in Wasser gelöst
und mit den Schwefeldioxyd enthaltenden Rauchgasen des Ofens in Berührung gebracht, wobei eine Natriumsulfitlösung
entsteht, aus der Aluminiumhydrat abgeschieden wird. Der
restliche Teil des gebildeten Natriumaluminats wird der Ablauge beigemischt.
Die Verwendung des rotierenden Ofens bringt jedoch mit sich viele Nachteile. Es ist teuer und erfordert relativ
viel Wartung. Die Wärmeökonomie ist ungünstig, weil man Zusatzbrennstoff zur Aufrechterhaltung der von der Reaktion
erforderten Temperatur verwenden muß. Die Wärmeübertragung aus dem Gas auf das zu behandelnde Material in einem
rotierenden Ofen ist wie bekanntlich schlecht, so daß der Ofen groß dimensioniert werden muß. Zur Verminderung der
Staubverluste muß das Material als Pellets behandelt werden, «vas zusätzliche Anlagen sowohl vor dem Ofen als auch nach
dem Ofen erfordert. Wegen der Pelletisierung muß auch der Trockengehalt des in den Ofen einzuspeisenden Materials hoch
sein, was die Betriebskosten erhöht.
Es ist auch vorgeschlagen worden, die Ablaugen in einen Wirbelschichtreaktor zu verbrennen. Als Beispiel einer derartigen
Lösung dient die amerikanische Patentschrift 3 635 790. Weil die Verbrennungstemperatur niedriger als die
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Schmelztemperatur der Chemikalien sein muß, beispielsweise
bei Kochchemikalien auf Natriumbasis höbhstens ca. 7500C^
darf, erfolgt das Brennen in dem Bereich, wo die Aufrechterhaltung eines stabilen Brennens schwierig wird. Die Temperatur
kann dadurch begrenzt werden, daß in den Ofen eine Ablauge eingespeist wird, deren Trockengehalt niedriger ist,
oder dadurch, daß der Prozess durch einen großen Luftüberschuß abgekühlt wird. In beiden Fällen wird der Öfen groß
und schwierig zu steuern.
Früher ist Vergasung von festen, organischen Materialien nach dem beispielsweise im US-Patent 3 840 353 beschriebenen
Verfahren ausgeführt worden, indem granulierter, kohlenhaltiger Brennstoff in einen Wirbelschichtreaktor eingespeist
wird und aus den Rauchgasen abgeschiedene feste Partikeln diesem zurückgeführt werden. Die Verbrennung und
Vergasung des kohlenhaltigen Materials erfolgen in demselben Reaktor, so daß eine gewünschte Steuerung der Reaktionen
Schwierigkeiten bereitet.
Zur Beseitigung der oben erwähnten Nachteile ist vorgeschlagen
worden, daß das zu behandelnde Material in Berührung mit dem aus dem Wirbelschichtbett entfernten heißen
Material gebracht wird, ehe es in das Bett des Reaktors eingespeist wird. Eine derartige Lösung ist in der deutschen
Patentanmeldung P 25 32 994 beschrieben worden. Als ein Nachteil dieser Lösung erweist sich jedoch die Förderung
des zirkulierenden Bettmaterials aus dem Reaktor und'.zuMück
sowie die damit verbundenen Regelungsprobleme, wenn die Menge oder die Feuchtigkeit des Materials variiert, überdies verursacht
die Abnutzung des Bettmaterials und der Anlagen Probleme. Weill die Wärmeenergie für die Verdampfung aus dem
Bett erhalten wird, muß auch die entsprechende Wärmemenge dem Bett zugeführt werden, mit anderen Worten: Die Verbrennung
muß in einem Bett erfolgen, das aus diesem Grund relativ groß gebaut sein muß, und überdies muß das in das Bett
einzuspeisende Material in viele verschiedene Zuführungsleitungen verteilt werden, was erneut die Anlagekosten erhöht.
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AO
Die aus der Brennkammer des Wirbelschichtreaktors abgehenden Gase enthalten feinen Staub, der beispielsweise in
einem Zyklonabscheider abgetrennt werden kann. Der Staub enthält Asche, feine Partikel und häufig auch nützliche
Chemikalien. Sein Wärmeinhalt kann auch relativ hoch sein. Je nach der Geschwindigkeit der den Wirbelschichtreaktor
durchströmenden Luft arbeitet er unterschiedlich. Je höher die Geschwindigkeit ist, je mehr Bettmaterial wird von der
fluidisierenden Luft mitgerissen und je mehr feine Partikel werden mit den Rauchgasen abgehen.
Gemäe der Erfindung wird das zu behandelnde Material
in Berührung mit feinen Stoffpartikeln gebracht, die aus den
aus dem Wirbelschichtofen abgehenden Rauchgasen abgeschieden sind. Die Partikel werden vorzugsweise dem Material beigemischt,
ehe es in den Reaktor eingeleitet wird. In diesem Zusammenhang können in dem Material chemische und/oder
thermische Reaktionen erfolgen. Aus den bei der Behandlung gegebenenfalls entstandenen Dämpfen und Gasen können nütz-i
liehe Stoffpartikel durch die Verwendung des bekannten Verfahrens wiedergewonnen werden. Der Wirbelschichtreaktor
funktioniert hierbei auf solche Weise, daß die Geschwindigkeit der durch den Reaktor strömenden Luft zwischen
1 und 1o m/s beträgt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen zu der früheren Wirbelschichttechnik sind wie folgt:
— Das neue Verfahren erfordert bedeutend weniger Energie
in Form von Zusatzbrennstoff bei Verbrennung von feuchtem Schlamm als vorbekannte Wirbelschichtprozesse.
— Das Volumen der Rauchgase in dem neuen Verfahren ist
etwa 5o % von dem entsprechenden Volumen in früheren Prozessen. Infolgedessen werden der Wirbelschichtreaktor und die
Gasreinigungsanlage viel kleiner.
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- Die Mischungsverhältnisse in dem neuen Verfahren sind viel besser als in vorbekannten Verfahren. Infolgedessen
wird die Verbrennungsdichte höher und das erforderte Volumei
kleiner.
- Aufgrund des kleineren Volumens des Wirbelschichtreaktors und der effektiven Mischung ist es leichter, das zu
behandelnde Material in den Reaktor einzuspeisen. Insbesondere bereitet das Zuführen von Torf bei der vorbekannten
Technik Schwierigkeiten und hohe Kosten.
- Aufgrund der Strahlungsfähigkeit der rezirkulierten Partikel ist die Verbrennung stabil auch bei niedrigen
Temperaturen. Die stabilisierende Wirkung der rezirkulierten Partikel wirkt auch dazu mit.
- Weil die Feuchtigkeit in dem zu behandelnden Material vor der Verbrennung verdünstet wird, wird die Verbrennungstemperatur steigen und aufgrund der großen Wärmeübertragungsfähigkeit der Wirbelschicht werden die Wärmeübertragungsoberflächen
für die Dampferzeugung kleiner.
- Die Druckverluste in dem Wirbelschichtreaktor und der Kraftbedarf für das Gebläse werden kleiner.
- Das neue Verfahren ermöglicht es, die Verdunstungswärme für Erwärmung zu verwenden.
- Der Wirbelschichtreaktor, in dem das neue Verfahren
angewandt ist, ist leicht zu regeln.
Ziel der Erfindung ist es generell, ein Verfahren zur Behandlung von Materialien in einem Wirbelschichtreaktor
zu schaffen, das die oben erwähnten Nachteile beseitigt. Ein v/anderes Ziel ist es, ein Verfahren zur Verbrennung von
verschiedenen Schlämmen zu schaffen. Ein weiteres Ziel ist
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•β. -
es, ein Verfahren zur Behandlung von Ablaugen des Zellstof fprozesses zu schaffen, um Kochchemikalien aus Ablaugen
wiederzugewinnen. Noch ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zur thermischen Auflösung von organischen
Materialien zu schaffen, um Rohgase zu erzeugen, die Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff enthalten.
Die Erfindung wird im folgenden mit Hinweis auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens für Schlammverbrennung angewandt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens für Ablaugen eines Zellstoffkochprozesses auf Natriumbasis,
in dem Natrium in Form von NaCO3 wiedergewonnen wirdi
Fig. 3 ieine schematische Darstellung des Verfahrens
für Ablaugen eines Zellstoffkochprozesses auf Natriumbasis, in dem Natrium in Form von NaOH wiedergewonnen wird;
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens für Ablaugen eines Sulfitkochprozesses angewandt;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Verfahrens für Ablaugen eines Sulfatkochprozesses angewandt; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verfahrens für thermische Auflösung von organischem Material angewandt.
In Fig. 1, die ein System zur Schlammverbrennung zeigt ist mit der Bezugszahl 1 ein Wirbelschichtreaktor bezeichnet
der aus einer Luftkammer 2, einem Rost 3 und einer Brennkammer 4 besteht. Auf dem Rost liegt ein Bettmaterial 5,
das fluidisiert und von Luft mitgerissen wird, die durch den Rost eingeleitet wird. Die zur Fluidisierung und Verbrennung
erforderliche Luft wird in die Luftkammer2durch die
Leitung 6 eingeleitet. Zur Verbrennung erforderliche
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Zusatzluft wird in die Brennkammer4durch Leitungen 7, 8 und
9 eingeleitet. Die bei der Verbrennung und anderer chemische] Reaktionen entstandenen Gase werden aus dem Oberteil des
Reaktors durch die Leitung 10 entfernt, aus der die Rauchgase in einen Staubabscheider 11, einen Luftvorwärmer 12
und einen Gaswäscher 13 strömen. Bei Bedarf wird Zusatzbrennstoff durch die Leitung 14 eingeleitet. Bettmaterial
kann in den Reaktor durch die Leitung 15 aus einem Mischer 16 eingespeist werden.
In dem Staubabscheider 11 werden äie Staubpartikel
der Abgase aus den Gasen abgeschieden und in den Mischer 16 geleitet, in dem sie in Berührung mit dem durch Leitung 17
eingespeisten Schlamm kommen. Der Mischer 16 ist mit zwei Schnecken versehen, die in umgekehrte Richtungen rotieren
und dadurch eine effektive Mischung des Schlamms und des heißen Staubs zustandebringen, die gegen das eine Ende des
Mischers 16 gefördert wird, von dem sie durch die Zuführleitung 18 in den Reaktor 1 geführt wird. In dem Mischer 16
wird der in den Reaktor 1 einzuspeisende Schlamm vorgewärmt und getrocknet, wobei sich Dampf entwickelt, der durch
Leitung 19 in einen Staubabscheider 20 und weiter in einen Kondensator 21 geleitet wird. Aus dem Unterteil des Kondensators
21 geht das Kondensat ab, das beispielsweise in eine Wasserreinigungsanlage geleitet wird, und aus dem Oberteil
die nicht kondensierten Gase, die in den Reaktor 1 zur Verbrennung geleitet werden, weil sie übelriechende Komponenten
enthalten. Ein Teil der in dem Abscheider 11 abgeschiedenen Partikel wird durch die Leitung 22 entfernt, um die Menge
des rezirkulierten Materials zu regeln.
Bei der Verwendung einer Anlage nach Fig. 1 zur Vergasung von feuchten organischen Materialien wird das nasse
Material über die Leitung 17 in den Mischer 16 eingespeist,
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in dem diesem der in dem Staubabscheider 11 abgeschiedene
heiBe Staub beigemischt wird. Das Wasser verdampft und geht
gegebenenfalls mit verdampfenden, brennbaren Komponenten in den Staubabscheider 20 ab, in dem aus den Gasen die
Staubpartikel abgeschieden werden. Von dem Staubabscheidern strömen die Gase in einen Kondensator, in dem der größte
Teil des Wasserdampfes kondensiert. Die restlichen Gase werden in den Wirbelschichtreaktor 1 geleitet. Das getrocknete
Material und die als Wärmeübertrager dienenden Partikel werden in den Wirbelschichtreaktor 1 eingespeist,
in dem das Material teilweise verbrannt wird und der unbrennbare Teil hauptsächlich in Gasform durch den Zyklonabscheider
11 in eine Anlage, in der das Gas'.ausgenutzt
wurd, beispielsweise in einen Dampfkessel geführt wird. In derart entstandenem Verbrennungsgas ist die Inertgasmenge
wesentlich niedriger als wenn das Material in feuchtem Zustand direkt in die Wirbelschicht eingespeist worden wäre,
weil das Wasser dem Material vor der eigentlichen Vergasung entzogen ist. Wenn das Material direkt mit heißen Gasen
getrocknet worden wäre, wäre ein Teil der brennbaren Komponenten zusammen mit Trocknungsgasen abgegangen. Das auf diese
Weise entstandene Verbrennungsgas ist also deutlich besser und mit einfachen Mitteln erzeugt.
Fig. 2 zeigt ein System zur Rückgewinnung von Chemikalien einer Ablauge eines Zellstoffprozesses, in der als
Kochchemikalie NaOH verwendet wird. In diesem System wird Natrium in Form einer NaCCb-Lösung wiedergewonnen, aus der
eine Kochlösung durch Kaustifizierung erzeugt wird.
In Fig. 2 ist mit der Bezugszahl 24 ein Wirbelschichtreaktor bezeichnet, in den Fluidisierungs- und Verbrennungsluft
durch die Leitung 25 eingespeist wird. Die Ablauge wird
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durchAcLeitung 26 in einen Mischer 27 eingespeist, in den
auch das in einem Filter 28 abgeschiedene Aluminiumhydrat sowie durch die Leitung 29 als Zusatzchemikalie reaktives
Al (OH)3 geleitet werden. Das Aluminiumhydrat bildet mit
dem in der Ablauge befindlichen Natrium Natriumaluminatverbindungen, die durch die Leitung 30 in Form von Schlamm,
dessen Trockengehalt 30...70 % beträgt, in einen Mischer eingespeist werden. Die Wärme der aus dem Oberteil des
Reaktors abgehenden Rauchgase wird zur Dampferzeugung ausgenutzt, indem sie in einen Abwärmekessel 32 geleitet werden,
von dem sie in einen Gaswäscher 33 strömen. Ein Teil des Flugstaubes der Rauchgase setzt sich, auf eine Temperatur
von ca. 3000C abgekühlt, auf den Kesselboden nieder, von
dem er durch Leitung 34 in den Vorreaktor 31 geführt wird, und ein anderer Teil wird in dem Gaswäscher abgetrennt.
Ein Teil der in dem Abwärmekessel 32 abgeschiedenen, Natriumaluminat enthaltenden Staubpartikel wird in einen
Lösebehälter 39 geleitet. Von dem Lösebehälter 39 wird die Natriumaluminatsuspension durch die Leitung 40 in den Gaswäscher
33 eingespeist, wobei sie mit dem Kohlendioxyd in den Rauchgasen reagieren kann und auf einen pH-Wert von
ca. 9 neutralisiert wird, wobei Al (OH)., ausfällt. Von dem
Lösebehälter 39 wird die Suspension durch eine Alterungsanlage (aging tank) 41, wo Aluminiumhydrat sich kristallisiert,
in einen Filter 28 geführt, wo gelöstes Natriumsalz aus dem Aluminiumhydrat abgeschieden wird. Die natriumhaltige Lösung
wird durch Leitung 42 in eine Fertigungsabteilung der Kochlösung und das Aluminiumhydrat durch Leitung 43 in den
Mischer 27 geleitet.
Fig. 3 zeigt ein System zur Rückgewinnung von Natrium in Form von NaOH-Lösung aus einer Ablauge eines Zellstoffprozesses
auf Natriumbasis.
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- ta Ma
In Fig. 3 ist mit der Bezugszahl 44 ein Wirbelschichtreaktor bezeichnet, in den vorgewärmte Luft durch die Leitung
45 eingespeist wird. Die Ablauge wird durch die Leitung 46 in einen Mischer 47 eingespeist, in den auch das in einem
Filter 48 abgetrennte Aluminiumhydrat sowie durch die Leitung 49 Al-Salze, sowie reaktives Al(OH3) und Al3O3 als
Zusatzcheinikalie geleitet werden. Die gebildete Natriumaluminatlösung
wird durch die Leitung 50 in einen Vorreaktor 51 eingespeist. In den Vorreäktor 51 wird auch ein Teil des
aus den Rauchgasen des Wirbelschichtreaktors 44 abgeschiedenen, Natriumaluminat enthaltenden Staubes durch die Leitung
53 eingeleitet. Die in dem Vorreaktor 51 erzeugten Gase werden durch die Leitung 54 entfernt, und es kann aus ihnen
in der bereits erwähnten Weise Wasserdampf abgeschieden werden, der als Kondensat durch Leitung 55 entfernt wird.
Die unkondensierten Gase werden durch die Leitung 56 in den Reaktor 44 geleitet und dort verbrannt. Der getrocknete
Schlamm wird durch die Leitung 57 in den Reaktor 44 eingespeist. Bei der Verbrennung und anderen chemischen Reaktioner
entstehende Gase werden von dem Oberteil des Reaktors durch den Ausgangskanal 58 entfernt, von dem sie in einen Staubabscheider
52, einen Abwärmekessel 59 und einen Gaswäscher 60 strömen.
Ein Teil der in dem Staubabscheider 52 abgetrennten, Natriumaluminat enthaltenden Staubpartikel wird in einen Löse
behälter 62 geleitet, dem Wasser durch die Leitung 61 zugesetzt wird. Die gebildete Suspension wird in einen Eindikkungsbehälter
64 geleitet, in dem Verunreinigungen bei einer Temperatur von ca. 900C ausgefällt werden. Die Verunreinigungen
werden durch die Leitung 65 entfernt und die Aluminatablauge wird durch die Leitung 66 in einen Abkühler €
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eingespeist. Die Ein- und Ausgangsleitungen des Abkühlungsmittels sind mit 68 und 69 bezeichnet. Die auf etwa 50 C
abgekühlte Aluminatlösung wird in einen Alterungstank (aging tank) 70 geleitet, wo Al(OH3) nach folgenden Reaktionen
auskristillisiert
3Na2O . Al2O . 6H2O —·- 6NaOH + 2Al (OH)3
Na2O . Al2O3 . 4H2O —^ 2NaOH + 2Al (OH)3
Das eingedickte Al(OH), wird in dem Filter 48 abge-r ;
trennt, mit Wasser aus Leitung 71 gewaschen und durch Leitune
72 in den Mischer 4 7 eingespeist. Die Natriumchemikalien gehen durch die Leitung 7 3 zum nochmaligen Gebrauch in der
Kochlösung ab.
Fig. 4 zeigt ein System zur Rückgewinnung von Chemikalien einer Ablauge eines SuIfitzellstoffkochprozesses,
in dem Natrium und Schwefel in Form von Natriumsalzen wie Na3SO3, NaHSO3, Na3CO3 und NaHCO3 in der Lösung zurückgewonnen
werden.
In Fig. 4 ist mit der Bezugszahl 74 ein Mischer bezeichnet, dem eine konzentrierte Ablauge 75 zugeführt wird.
In den Mischer wird auch in einem Filter 77 abgeschiedenes Aluminiumhydrat 76 eingespeist, das in einem Trockner 78
getrocknet wird. In den Mischer werden auch erforderliche Zusatzchemikalien 79 eingespeist. Von dem Mischer werden
die Ablauge und die beigemischten Chemikalien durch die Leitung 80 in einen Vorreaktor 81 gefördert. In den Vorreaktor
81 wird aus einem Staubabscheider 83 aus den Rauchgasen eines Wirbelschichtreaktors 84 abgeschiedener, Natriumaluminat
enthaltender, heißer Staub 82 durch die Leitung geleitet. In dem Vorreaktor 81 erfolgt die Pyrolyse der
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Ablauge, wobei sich Gas und Wasserdampf entwickelt. In den
Vorreaktor 81 kann auch Luft 85 geleitet werden, wobei eine partielle Verbrennung zustandegebracht wird. Die Gase, die
u. a. den Hauptanteil des Schwefelgehaltes der Ablauge hauptsächlich in Form von Schwefelwasserstoff enthalten,
sowie der Dampf werden aus dem Vorreaktor durch die Leitung
86 entfernt,und es wird das feste Material durch die Leitung
87 in den Wirbelschichtreaktor 84 eingespeist. Das in dem Vorreaktor 81 entstehende Gas und der Dampf bringen eine
"wirkungsvolle Mischung der Ablauge und der heißen Staubpartikel zustande, die mit mechanischen Mitteln noch ,!intensiviert
werden kann. Die Temperatur in dem Vorreaktor 81 wird zwischen 200 und 9000C gehalten, vorzugsweise 7000C.
Die Gase aus dem Vorreaktor 84 oder durch die Leitung 89 in eine Nachverbrennungskammer 90 geleitet, in der sie mit
den Rauchgasen des Wirbelschichtreaktors 84 oder der Nachverbrennungskammer 90 verbrennt der Schwefelwasserstoff zu
Schwefeldioxyd. Die Wärme, die die Rauchgase enthalten, wird in einem Abgasekessel 91 ausgenutzt, aus dem die Gase
in die Gaswäscher 92 und 93 strömen.
Ein Teil des in dem Staubabscheider 83 abgeschiedenen, Natriumaluminat enthaltenden Staubes wird durch einen Kühler
94 in einen Lösebehälter 95 geleitet, dem auch Wasser 96 zugesetzt wird. Nach der Auflösung werden die schwer löslichen
Verbindungen in einem Eindickungstrog 97 abgeschie-*
den, und die Natriumaluminat enthaltende Lösung 98 wird in einen Gaswäscher 93 eingespeist, in dem die Lösung mit den
das Schwefeldioxyd enthaltenden Rauchgasen neutralisiert wird. Als Resultat der Neutralisierung wird das Aluminium
in Form von Hydrat eingedickt, während die Natriumsalze in der Lösung in Form von Na3SO3NaHSO3F Na3CO3 und NaHCO3
bleibende nach Na/S-Verhältnis und dem pH-Wert.
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Das Aluminiumhydrat wird aus den gelösten Natriumsalzen in dem Filter 77 abgeschieden. Zur Intensivierung
der Abscheidung wird die Suspension 99 erst in einen Alterungstank 100 geleitet, in der das Aluminiumhydrat
sich kristallisiert, bevor es in den Filter geführt wird. Nach der Abscheidung wird das Aluminiumhydrat durch die
Leitung 101 in den Prozess zurückgeführt, um der zu behandelnden Ablauge beigemischt zu werden. Die Na-Salze
enthaltende Lösung wird aus dem Filter durch die Leitung in eine Kocherei ausgetragen.
Fig. 5 zeigt ein System zur Rückgewinnung von Chemikalien einer Ablauge eines Sulfafeellstoffkochprozesses, in
dem Natrium und Schwefel hauptsächlich in Form von NaOH und Na~S in Lösung zurückgewonnen werden.
In Fig. 5 wird eine Ablauge 103 eines Sulfatkochers in einen Mischer 104 geleitet. In den Mischer 104 wird
auch in einem Filter 106 abgeschiedenes Aluminiumhydrat 105 eingespeist. Von dem Mischer werden die Ablauge und die
der Ablauge beigemischten Chemikalien in einen Vorreaktor geführt. In den Vorreaktor wird auch heißer, in einem Staubabscheider
109 aus den Rauchgasen eines Wirbelschichtreaktors 110 abgeschiedener, Natriumaluminat enthaltender Staub
108 geleitet. Entstandene Pyrolysegase, die Schwefel hauptsächlich in Form von Schwefelwasserstoff enthalten, werden
durch die Leitung 111 in einen Absorptionsturm 112 geführt,
in den auch eine Natriumhydroxyd enthaltende Lösung von dem Eindickungßtrog 113 durch die Leitung 114 geleitet wird.
Der Schwefelwasserstoff wird in dem Absorptionsturm absorbiert
wobei eine Lösung entsteht, die hauptsächlich NaOH und Na2S
enthält, und die durch die Leitung 115 in den Filter 106
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eingespeist wird. Ein Teil des in dem Staubabscheider 109
abgeschiedenen, Natriumaluminat enthaltenden Staubes wird durch die Leitung 116 in einen Lösebehälter 117 geführt,
dem auch Wasser 118 zugesetzt wird. Nach der Auflösung wird das Aluminiumhydrat durch Eindickung aus der gebildeten
Natriumhydroxyd-Aluminatlösung in dem Eindickungstrog 113 abgeschieden und durch die Leitung 119 in den Filter 106 eingeleitet.
In dem Filter wird das Aluminiumhydrat, das in den Prozess zurückgeführt wird, abgeschieden, und die Natriur
salze enthaltende Lösung wird durch die Leitung 120 in die Kocherei eingespeist.
Fig. 6 zeigt ein System zur thermischen Auflösung eines organischen Materials, in der Absicht, Kohlenoxyd und
Wasserstoff sowie Kohlenwasserstoff enthaltende Rohgase zu erzeugen. Die Wärmebehandlung des Materials kann in sauerstoffreiem
Zustand oder in Anwesenheit von Sauerstoff ausgeführt werden, je nach dem erwünschten Vergasungsresultat
und dem zu behandelnden Material. Das Verfahren kann für Torf, Kohle und andere feste Brennstoffe, ölsand oder
-schiefer sowie verschiedene feste Abfälle angewandt werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Rohgase
erzeugt werden, die als solche als Brenngase verwendet werden oder beispielsweise zu Synthesegasen als Rohstoff der
chemischen Industrie oder zu Reduktionsgasen für metallurgische Anwendungen veredelt werden können.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Vergasungsund
Verbrennungsprozesse voneinander getrennt, so daß die Vergasung bei einer niedrigeren Temperatur als der eigentliche
Verbrennungsprozess erfolgen kann. Die Temperaturen der beiden Prozesse können leicht unabhängig voneinander
geregelt werden. Die für die Vergasung erforderliche Wärme
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SM
wird indirekt aus dem Verbrennungsprozess, d. h. aus dem aus den Rauchgasen abgeschiedenen, heißen Staub erhalten,
und nicht wie in früher bekannten Verfahren direkt aus dem
Verbrennungsprozess.
In Fig. 6 wird feuchtes Material 121 in einen Trockner-Mischer 122 eingespeist, in den auch ein Teil des aus den
Rauchgasen durch einen Zyklon 123 abgeschiedenen, heißen Staubes durch die Leitung 124 eingeleitet wird. In dem
Trockner-Mischer werden der heiße Staub'und das zu behandelnde
Material miteinander gemischt, wobei eine Trocknung und Vorwärmung des Materials auf eine Temperatur von etwa 100 C
erfolgt. Das in dem Trockner-Mischer entstandene Gas wird durch die Leitung 125 in einen Staubabscheider 126 abgeführt,
aus dem abgeschiedene Partikel durch die Leitung 127 in den Trockner-Mischer 122 zurückgeführt werden. Der Wasserdampf
in den Gasen wird in einem Kondensator 128 kondensiert und aus dem unteren Teil des Kondensators durch die Leitung 129
abgeführt. Nicht kondensierbare Gase werden aus seinem oberen Teil abgeführt und durch die Leitung 130 in einen Gaswäscher
131 geführt. Das getrocknete und vorgewärmte Material wird dann in einen Vorreaktor 132 geführt, in den auch der Rest
des heißen Staubes, der aus den Rauchgasen abgeschieden ist, geleitet wird. In dem Vorreaktor wird die Temperatur in einem
gewünschten Bereich von 400...10000C aufrechterhalten, indem
die einkommenden und ausgehenden Mengen geregelt werden. Das Material wird in dem Vorreaktor 132 pyrolisiert und der
nicht vergaste Verkohlungsrest wird durch die Leitung 133 in
einen Wirbelschichtreaktor 134 geleitet, in dem seine brennbaren Komponenten unter oxydierenden Verhältnissen in an sich
bekannter Weise verbrannt werden. Die Pyrolysegase werden von
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-teat
dem Vorreaktor 132 durch die Leitung 135 in einen Staubabscheider 136 und weiter in den Gaswäscher 131 geleitet.
Luft, Dampf und andere Gase können in den Vorreaktor durch die Leitung 137 eingeleitet werden.
Falls der Wärmeinhalt des eingespeisten Materials nicht genügend ist, die Verbrennungstemperatur in einem
Bereich von 600...10000C aufrechtzuerhalten, kann Brennstoff
durch die Leitung 138 zugeführt werden.
Die Erfindung wird weiter anhand folgender Beispiele erläutert:
Beispiel 1.
Verbrennung eines KommunalSchlammes (Fig. 1) Trockengehalt des Schlammes 20 %
Staubgehalt 30 % auf die Trockensubstanz berechnet Kalorischer Wärmewert 16MJ/kg Trockensubstanz
Temperatur der vorgewärmten Luft 500 C
Dem Schlamm würde der aus den Rauchgasen abgeschiedene Staub beigemischt, dessen Temperatur 8000C betrug, und der
getrocknete Schlamm wurde in den Wirbelschichtreaktor in einer Temperatur von 1000C eingespeist.
Die dem Schlamm beigemischte Staubmenge
Energiebedarf überschüssige Luft Rauchgasmenge
Zusammensetzung von Rauchgasen:
- °2
- CO2
-H2O
kg/kgKA |
13.7 |
KJ/kgKA |
1440 |
% |
30 |
kg/kgKA |
8,75 |
% |
4,5 |
% I . |
12,0 |
% |
72,7 |
% |
10,8 |
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Eingespeiste Energie:
- Zusatzenergie % 6,5
- Schlamm % 73,5
- Luft % 20,0
Ausgehende Energie
- Rauchgase von dem Ofen % 45,9
- Dampf von dem Vorreaktor % 47,7
- Staub der Rauchgase % 1,2
- Wärmeverluste % 5,2
Wie aus dem Beispiel zu ersehen ist, erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei aus dem Schlamm Wasser
entzogen wird, ehe er in den Reaktor eingespeist wird,die Verbrennung nahezu autogen.
Beispiel 2.
Behandlung von einer Ablauge eines Zellstoffprozesses
auf Natriumbasis und Rückgewinnung von Natrium in Form von Na2CO3 (Fig. 2).
1,24 kg/s Ablauge, deren Trockengehalt ca. 45 % betrug, wurde in den Mischer eingespeist, in den auch 0,2 kg/s AIuminiumhydrat
geleitet wurde. Die Aluminium-Ablaugesuspension wurde in den Vorreaktor eingespeist, in den 5,8 kg/s Natriun
aluminatstaub geleitet wurde. Etwa 0,53 kg/s Wasser kondensierte
sich, und die getrocknete Ablauge sowie beigemischte Chemikalien wurden in den Wirbelschichtreaktor eingespeist.
Die Verbrennung erfolgte bei einer Temperatur von etwa lOOOt
Die Natriumaluminiumverbindungen wurden zu Natriumaluminaten umgesetzt, die zum größten Teil mit den Rauchgasen abgingen.
Ein Teil des Natriumaluminats = 0,2 kg/s wurde in den Lösebehälter geleitet, in dem die Neutralisierung mittels
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an
Rauchgasen erfolgte, wobei eine Na_CO3-Lösung erzeugt wurde.
Die Kristallisation von Al(OH)3 erfolgte in dem Alterungstank, das Aluminiumhydrat wurde danach in dem Filter abgeschieden, und 0,22 kg/s gebildete Natriumkarbonatlösung
wurde zur Erzeugung von Kochsuspension verwendet. In den Venturiwäscher wurde 0,8 kg/s Hasser geleitet.
Beispiel 3.
Behandlung von Ablauge eines Sulfitzellstoffprozesses und Rückgewinnung von Natrium und Schwefel in Form von
Na2SO3 (Fig. 4).
24, 4 kg/s Ablauge mit einem Trockengehalt von 8 % wurde auf einen Trockengehalt von 36 % in einem Thermokompressorevaporator konzentriert, wonach sie auf 60 % in
einem Gaswäscher weiter konzentriert wurde. Der konzentrierten Ablauge wurde dann 0,60 kg/s Al.O. beigemischt, das
dem Molverhältnis Na20/Al203 = 1 in der Mischung entspricht.
Die Mischung wurde in dem Vorreaktor in einer Temperatur von etwa 7000C pyrolisiert. Die Temperatur wurde dadurch
geregelt, daß die Menge des eingespeisten, aus den Rauchgasen abgeschiedenen heißen Staubes variiert wurde. Eine partielle
Verbrennung wurde dadurch zustandegebracht, daß Luft in den Vorreaktor geblasen wurde. Die Ablauge, die Na-Al-Salze und
unverbrannten Kohlenstoff enthielt, wurden in den Wirbelschichtreaktor eingespeist, in dem Na-Al-Salze zu Natriumaluainat in einer Temperatur von etwa 9500C umgesetzt wurden.
Die Gase aus dem Vorreaktor, die Schwefel hauptsächlich in Form von H,S und brennbare Komponenten wie CO, H2 sowie
inerte Gaskomponenten wie CO2, H2O und N2 enthielten, wurden
in den Wirbelschichtreaktor oder in die Nachverbrennungskamner eingeleitet. In den Wirbelschichtreaktor Mutde Luft
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und öl eingeführt. Die Verbrennung in dem Ofen war leicht
reduzierend, und die Zusammensetzung der Rauchgase war wie folgt:
O2 = 1,3 %, CO2 = 16,6 %, N2 = 76 %, CO = 1,3 %,
CH4 = 0,4 %, H2 = 1,4 %, H2S = 1,3 %
Die Nachverbrennung von Rauchgasen wurde durch Zuführung von 3,4 kg/s Luft ausgeführt, wobei sich H3S zu SO2
umsetzte. Die Wännewiedergewinnung erfolgte in dem Abwärmekessel, wobei die Temperatur der Rauchgase vom 11000C auf
4000C sank. Die Rauchgase wurden danach in einen Venturiwäscher
zur Konzentrierung von Ablauge und weiter in einen anderen Gaswäscher geleitet, um SO2 alkalischer Natriumaluminatlösung
zu absorbieren. Die Natrxumaluminatlösung wurde dadurch erzeugt, daß 1 kg/s aus den Rauchgasen abgeschiedenen
Staubs in 5 kg/s Wasser gelöst wurde. Nachdem SO- und CO2 absorbiert waren, wurde Al(OH)3, das aus der Lösung
abgeschieden wurde, eingedickt. Die restliche Lösung, deren Konzentration dadurch geregelt wurde, daß die Menge des
Waschwassers, das in den Filter eingespeist wurde, verändert wurde, die in diesem Fall 5 kg/s betrug, enthielt
106 g/1 Na3SO3
38 g/1 Na2CO3
und konnte als solche für die Kochlösung verwendet werden. Al(OH)3 wurde der konzentrierten Ablauge beigemischt.
Beispiel 4.
Behandlung von Ablauge eines Sulfatzellstoffprozesses und Rückgewinnung von Natrium und Schwefel in Form von NaOH
und Na2S (Fig. 5).
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0,9 kg/s Al(OH)3/ das 0,7 kg/s Wasser enthielt, wurde
2,2 kg/s konzentrierter Ablauge mit einem Trockengehalt von 65 % beigemischt. Der Mischung wurde mit dem aus den Rauchgasen abgeschiedenen Staub in einer Temperatur von 1000 C
in dem Vorreaktor gemischt, wobei eine Pyrolyse in einer Temperatur von 300...9000C erfolgte. Als Resultat von der
Pyrolisierung setzte der in der Ablauge befindliche Schwefel hauptsächlich zu Schwefelwasserstoff um, der in die Natriumhydroxyd und Natriumaluminat enthaltende Lösung absorbiert
wurde. Eine Natriumhydroxyd-Aluminatlösung wurde dadurch erhalten, daß 0,9 kg/s Natriumaluminat, das aus den Rauchgasen in dem Staubabscheider und in dem Abwärmekessel abgeschieden war, gelöst wurde. Vor der H-S-Absorption wurde das
eingedickte Al(OH)3 abgetrennt. Aus der Lösung wurde 0,9 kg/i
Al(OH)3 abgeschieden, das in den Verbrennungsprozess zurückgeführt wurde, während die Lösung, die 2,9 Mol/s Schwefel
und 5,7 Mol/Natrium hauptsächlich in Form von NaOH und Na2S enthielt, als Kochlösung verwendet wurde.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der in der
Ablauge befindliche Schwefel in leicht behenschbaren Verhältnissen vor der Ablaugeverbrennung reduziert werden. Die
Kochchemikalien der Ablauge werden in solcher Form wiedergewonnen, daß sie als solche in der Kochlösung wieder anwendbar sind. Je nach dem pH-Wert der abgeschiedenen Lösung
können sie auch in anderen Formen auftreten als in Beispielen beschrieben ist. Es ist experimentell gezeigt worden,
daß das Natriumaluminat, das in der Lösung geblieben ist, keine schädliche Wirkung auf den Kochprossess hat.
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Beispiel 5.
Pyrolyse von Torf (Fig. 6)
15 g/s Torf, der einen Trockengehalt von 6o % hatte,
wurde in einem Trockner-Mischer auf einen Trockengehalt von etwa 99 % getrocknet. Von dem Trockner-Mischer ging 6 g/s
Wasserdampf ab, der in einem Kondensator kondensiert wurde. Für die Trocknung wurde 28 g/s Staub aus den Rauchgasen des
Wirbelschichtreaktors bei einer Temperatur von etwa 9000C
verwendet. Der getrocknete Torf zusammen mit dem Staub wurde danach in den Vorreaktor geleitet, in dem die Pyrolyse
in einer Temperatur von etwa 7000C erfolgte, indem 26 g/s
heißer Staub verwendet wurde. Als Vergasungsmittel wurde Dampf verwendet. Das gereinigte Pyrolysegas enthielt:
co2
|
= 8 |
CnHm °2 |
= 3
= 0,5 |
CO |
= 30 |
H2
|
= 44 |
CH4 |
= 4 |
H2S |
= 0,1 |
H2O |
«= 10,4 |
Sein Trockengehalt war 13,1 MJ/m . Der nicht-vergaste Verkohlungsrest wurde in dem Wirbelschichtreaktor in einer
Temperatur von etwa 9000C verbrannt.
Obgleich die Erfindung im Zusammenhang mit gewissen
speziellen Anlagen gezeigt und beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese speziellen Anlagen beschränkt.
Es ist insbesondere möglich, das erfindungsgemlBe Verfahren
für Ablauge der Kochprozesse auf ca.-Basis oder andere alkalische Metalle anzuwenden.
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